Ett team som leds av University of Melbourne har fulländat en teknik för att bädda in enstaka atomer i en kiselwafer en i taget. Kredit:University of Melbourne
Ett team som leds av University of Melbourne har fulländat en teknik för att bädda in enskilda atomer i en kiselwafer en efter en. Deras teknologi erbjuder potentialen att tillverka kvantdatorer med samma metoder som har gett oss billiga och pålitliga konventionella enheter som innehåller miljarder transistorer.
"Vi kunde "höra" det elektroniska klicket när varje atom föll in på en av 10 000 platser i vår prototypenhet. Vår vision är att använda denna teknik för att bygga en mycket, mycket storskalig kvantenhet", säger professor David Jamieson vid The University från Melbourne, huvudförfattare till uppsatsen Advanced Materials som beskriver processen.
Hans medförfattare är från UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) och RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.
"Vi tror att vi i slutändan skulle kunna tillverka storskaliga maskiner baserade på enatoms kvantbitar genom att använda vår metod och dra nytta av de tillverkningstekniker som halvledarindustrin har fulländat", säger han.
Hittills har implantering av atomer i kisel varit en slumpmässig process, där ett kiselchip blir överöst med fosfor som implanteras i ett slumpmässigt mönster, som regndroppar på ett fönster.
"Vi bäddade in fosforjoner, exakt räknande var och en, i ett kiselsubstrat och skapade ett "qubit"-chip, som sedan kan användas i laboratorieexperiment för att testa konstruktioner för storskaliga enheter."
"Detta kommer att tillåta oss att konstruera kvantlogikoperationerna mellan stora uppsättningar av individuella atomer, och bibehålla mycket exakta operationer över hela processorn", säger UNSW:s Scientia-professor Andrea Morello, en medförfattare till artikeln. "Istället för att implantera många atomer på slumpmässiga platser och välja ut de som fungerar bäst, kommer de nu att placeras i en ordnad uppsättning, liknande transistorerna i konventionella halvledarchips."
"Vi använde avancerad teknologi utvecklad för känsliga röntgendetektorer och ett speciellt atomkraftmikroskop som ursprungligen utvecklades för rymduppdraget Rosetta tillsammans med en omfattande datormodell för banan för joner implanterade i kisel, utvecklad i samarbete med våra kollegor i Tyskland." säger Dr Alexander (Melvin) Jakob, första författare till tidningen, också från University of Melbourne.
Denna nya teknik kan skapa storskaliga mönster av räknade atomer som kontrolleras så att deras kvanttillstånd kan manipuleras, kopplas och avläsas.
Tekniken som utvecklats av professor Jamieson och hans kollegor drar fördel av precisionen hos atomkraftmikroskopet, som har en vass konsol som försiktigt "vidrör" ytan på ett chip med en positioneringsnoggrannhet på bara en halv nanometer, ungefär samma som avstånd mellan atomer i en kiselkristall.
Teamet borrade ett litet hål i den här konsolen, så att när den duschades med fosforatomer skulle man då och då falla genom hålet och bädda in i kiselsubstratet.
Nyckeln var dock att veta exakt när en atom – och inte mer än en – hade blivit inbäddad i substratet. Sedan kunde fribäraren flyttas till nästa exakta position på arrayen.
Teamet upptäckte att den kinetiska energin hos atomen när den plöjer in i kiselkristallen och avleder sin energi genom friktion kan utnyttjas för att göra ett litet elektroniskt "klick."
Det är så de vet att en atom har inbäddats i kislet och för att flytta till nästa exakta position.
"En atom som kolliderar med en bit kisel gör ett väldigt svagt klick, men vi har uppfunnit mycket känslig elektronik som används för att upptäcka klicket, den förstärks mycket och ger en hög signal, en hög och pålitlig signal", säger professor Jamieson.
"Det gör att vi kan vara mycket säkra på vår metod. Vi kan säga," Åh, det var ett klick. En atom har precis kommit." Nu kan vi flytta konsolen till nästa plats och vänta på nästa atom."
"Med våra centerpartners har vi redan producerat banbrytande resultat på enatoms qubits gjorda med denna teknik, men den nya upptäckten kommer att påskynda vårt arbete med storskaliga enheter", säger han.
Vad är kvantberäkning och varför är det viktigt?
Kvantdatorer utför beräkningar genom att använda de olika tillstånden för enskilda atomer på det sätt som konventionella datorer använder bitar – den mest grundläggande enheten för digital information.
Men medan en bit bara har två möjliga värden – 1 eller 0, sant eller falskt – kan en kvantbit, eller qubit, placeras i en superposition av 0 och 1. Par av qubits kan placeras i ännu mer märkliga superpositionstillstånd, t.ex. som "01 plus 10", kallade intrasslade tillstånd. Att lägga till ännu fler qubits skapar ett exponentiellt växande antal intrasslade tillstånd, som utgör en kraftfull datorkod som inte finns i klassiska datorer. Denna exponentiella täthet av information är det som ger kvantprocessorer deras beräkningsmässiga fördelar.
Denna grundläggande kvantmekaniska märklighet har stor potential att skapa datorer som kan lösa vissa beräkningsproblem som konventionella datorer skulle tycka är omöjliga på grund av deras komplexitet.
Praktiska tillämpningar inkluderar nya sätt att optimera tidtabeller och ekonomi, okrossbar kryptografi och datorbaserad läkemedelsdesign, kanske till och med den snabba utvecklingen av nya vacciner.
"Om du ville beräkna strukturen på koffeinmolekylen, en mycket viktig molekyl för fysiken, kan du inte göra det med en klassisk dator eftersom det finns för många elektroner", säger professor Jamieson.
"Alla dessa elektroner lyder kvantfysiken och Schrödinger-ekvationen. Men om du ska beräkna strukturen för den molekylen, det finns så många elektron-elektron-interaktioner, till och med de mest kraftfulla superdatorerna i världen idag kan inte göra det.
"En kvantdator skulle kunna göra det, men du behöver många qubits eftersom du måste korrigera slumpmässiga fel och köra en mycket komplicerad datorkod."
Kiselchips som innehåller uppsättningar av enstaka dopantatomer kan vara det valda materialet för klassiska enheter och kvantenheter som utnyttjar enstaka donatorspinn. Till exempel är grupp V-donatorer implanterade i isotopiskt renade Si-kristaller attraktiva för storskaliga kvantdatorer. Användbara attribut inkluderar långa kärn- och elektronspinlivslängder för P, hyperfina klockövergångar i Bi eller elektriskt styrbara Sb-kärnspinn.
Lovande arkitekturer kräver förmågan att tillverka uppsättningar av individuella dopningsatomer nära ytan med högt utbyte. Här används ett detektorelektrodsystem på chipet med 70 eV rotmedelkvadratbrus (≈20 elektroner) för att demonstrera implantation av enstaka 14 keV P+-joner nära rumstemperatur.
Fysikmodellen för interaktionen jon-fasta material visar en oöverträffad övre gräns för singeljondetektionssäkerhet på 99,85 ± 0,02 % för implantat nära ytan. Som ett resultat begränsas det praktiskt kontrollerade kiseldopningsutbytet av materialtekniska faktorer, inklusive ytportoxider i vilka detekterade joner kan stanna.
För en enhet med 6 nm gate-oxid och 14 keV P+-implantat påvisas en flytgräns på 98,1 %. Tunnare grindoxider tillåter denna gräns att konvergera till den övre gränsen. Deterministisk enkeljonimplantation kan därför vara en genomförbar materialteknikstrategi för skalbara dopantarkitekturer i kiselenheter. + Utforska vidare
